豪杰春香

AI芯片散热新希望？科学家首次造出理论中的金属材料，导热率是铜的3倍_我的网站

A |     “食”刻守护          健康“童”行          “民以食为天，食以安为先”食品安全关乎每一位幼儿的身体健康，为进一步加强幼儿园食品安全管理制度，提高我园教职工预防食品安全事件应急处置能力及幼儿食品安全自我保护意识，前进小步幼儿园开展了食品安全周系列活动。                   食品的秘密          本周，幼儿园推出了幼儿参与点餐的活动，幼儿参与食谱制定。这一活动不仅激发了孩子们对食物的兴趣，也让他们在参与中了解了食物的多样性和营养搭配的重要性。    AI 的发展正在不断推高全球对算力的需求，随着以英伟达（NVIDIA）为代表的高端 AI 加速器功耗快速攀升，数据中心的机架功率密度将被推至 300 千瓦级别。                             孩子们也在老师的带领下观察食品包装袋上生产日期、保质期等信息。

B |          巨大能耗之下，散热成为不容忽视的关键问题：芯片消耗的电能几乎全部以热的形式耗散出来。         原来食品包装袋上有很多秘密值得我们探索。而在目前的芯片热传导路径中，铜是散热扩散层、热管、蒸汽腔和封装基板的主力材料，导热率约为 400 瓦每米每开尔文（W/m·K）。

C |                    通过有趣的科学小实验，吸取饮料中的色素，感知有色饮料对身体的潜在危害。

D | 一个世纪以来，这就是金属导热的真实性能上限。         今年年初，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）萨缪利工程学院的胡永杰教授团队在《科学》（Science）发文，他们造出一种曾经只存在于理论中的金属材料：θ 相氮化钽（θ-TaN）单晶。实验发现，该材料的室温导热率可达 1,100 W/m·K 左右，接近铜的三倍。                   食品安全检查                              幼儿园安全员与保健人员深入食堂各个角落，对环境卫生、餐具消毒、设备清洁等进行了全面检查，重点查看了食品加工流程是否符合规范、操作台面是干净、各类标识是否齐全。         （来源：Science）          θ-TaN 的 70 年发现之旅          1950 年代，德国化学家布劳尔（Brauer）等人在高温高压条件下发现，TaN 存在一种 θ 相。                   同时检查人员对食堂储藏间米、面、油、调料等各类食品的生产日期、保质期等信息进行了仔细检查，确保食材来源正规、可追溯。                   中毒事故应急演练          为提高幼儿园的应急救援和处置能力和教职工应对食品安全时间的应急处置能力。前进小步幼儿园开展了食物中毒应急救援演练。近年来，学界预测，θ-TaN 具备远超常规金属的本征导热率，潜在值接近金刚石和砷化硼。但此前有关 θ-TaN 的研究都停留在理论层面，高质量 θ-TaN 晶体始终未被造出，其导热性能也无从验证。         障碍主要在合成端。

E | 稳定 θ 相需要在数千摄氏度环境下对材料施加数吉帕（GPa）压力，加之氮化钽体系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、四方（t-TaN）等多种竞争晶相，过往合成的样品几乎都是含有晶界、缺陷与混相的多晶粉末。         而且，此前的理论分析也指出，如果 θ-TaN 晶体存在缺陷或杂质，其导热率会远低于理论值水平。         模拟现场 疑似案例          2月28日中午11：50，小二班陆续出现幼儿有呕吐、头晕、头痛等症状，人数达3人。         为解决这一难题，胡永杰团队与日本东北大学（Tohoku University）多学科先进材料研究所的孝广（Takahiro Yamada）等人合作，采用了一种名为助熔剂辅助复分解反应的技术：以金属钠同时充当还原剂和助熔剂，绕开传统高压合成路线，在富氮环境下直接将氧化钽转化为氮化钽单晶。         最终得到的 θ-TaN 单晶尺寸在 10 到 100 微米之间，表面光洁、单一晶相。班主任立即联系保健医生，带孩子前往保健室。                   班主任立即联系保健医生，带领孩子前往保健室。

F |          另一名教师立刻疏散其他幼儿，安抚幼儿情绪，并时刻观察其他幼儿身体状况，如有异常立即上报。团队进一步通过拉曼光谱、单晶 X 射线衍射（S-XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、电子能量损失谱（EELS）等表征手段确认了样品的结构完整性，证实其特征与先前预测高度吻合。         成功造出单晶后，团队终于有了验证 θ-TaN 导热率的机会。测量结果显示，在室温条件下，θ-TaN 沿 a 轴方向（六方晶格底面内）的导热率约为 1105 W/m·K，沿 c 轴方向（垂直于底面）约为 928 W/m·K，反映出 θ-TaN 导热性能的各向异性。                   初步诊断 疑似中毒          保健医生查看幼儿情况，根据幼儿症状分析、初步确定为疑似食物中毒安全事故。         保健医生立即向总务室汇报。         总务室向园长汇报并说明状况。

G |                    决定启动食品安全应急预案。而跨整个晶体扫描的空间分布测量显示，同一方向上导热率在样品各处保持一致，这表明测得的高导热率来自晶格本征行为，不是偶然现象。         θ-TaN 的优越导热性能与其特殊的晶体结构密切相关。同时上报相关部门。

H |                    启动预案 开展急救          教职工按职责进行急救工作，护送人员将中毒幼儿送往医院，老师立即联系中毒幼儿家长，同时对中毒幼儿家长进行情绪安抚，做好家长解释工作。

I |                    清理现场 全面消毒          保育员迅速穿戴好衣物、手套、口罩等，封锁班级区域。

J |          先用湿巾覆盖呕吐物，然后进行初步消毒，再将呕吐物装进垃圾袋密封。         在微观层面，固体材料的导热由两类载体承担：一是自由电子的定向流动，二是晶格原子的集体振动。后者在量子力学框架下被定义为声子（phonon），类比电子传递电流，声子则在晶体里传递热量。随后进行二次消毒并清洁地面，最后开窗通风。         覆盖呕吐物          倒消毒水          将呕吐物装袋          清洁地面          消毒椅子                              消毒桌子          开窗通风                              留样封存 保护现场          食堂负责人对食堂现场进行封锁，并对引起中毒的可疑食品、原料及留样食品立即封锁，保护和控制现场，等待相关部分进行检测。         在铜、铝、银等常规金属中，热传导主要由自由电子承担，但电子与声子的相互作用反而会消耗上述两条通道的输运能力；再者，其内部活跃的声子-声子散射会进一步削弱导热。                             安全无小事，责任重于山。

K | 本次食品安全活动的开展，不仅增强了孩子的食品安全意识，也提高了教职工在食品安全应急处置方面的快速反应能力和组织协调能力。但 θ-TaN 的特殊之处在于，其声子-声子的相互作用极弱，电子也几乎不与声子交换能量，同时把两条散射通道都堵上了。今后，我园将持续做好食品安全工作，为幼儿健康和生命安全保健护航。         -END-                                                                                                                                  编辑：徐老师          初审：宣传组          终审：吕老师                                                            扫一扫获得更多精彩！。         此外，钽元素的一个自然属性又提供了第三重加成。

L | 声子在晶格中传播时，如果遇到质量不一致的原子，也会发生散射，影响导热。

M | 但钽几乎是单一同位素元素，天然钽中 ¹⁸¹Ta 同位素的丰度高达 99.988%，原子质量差异导致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。         这些特性让热量可在 θ-TaN 晶格中以罕见的低阻尼状态传输，接近“晶格对热运动透明”的理论极限。

N |          以金属之躯，达到金刚石级别的导热性能          需要注意的是，θ-TaN 只打破了金属材料维持一百多年的导热率纪录，还有导热性能更好的非金属材料，比如金刚石（俗称钻石）。         天然金刚石的导热率可达 1,500~2,200 W/m·K，超纯合成金刚石可达 3,000 W/m·K。

o | 目前，工业上已在探索用化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜作为热扩散层，直接键合至逻辑计算芯片的背面，用于台积电 CoWoS 等 2.5D/3D 先进封装。         图 | 单晶 CVD 金刚石薄膜（来源：WikiPedia）          但金刚石有三个显著短板：生长速度慢、能耗高，制造成本居高不下；再者，金刚石是电绝缘体，加入电气路径时需要多一道工艺；最后，作为已知最硬的材料，对金刚石进行切割、抛光、打孔都极其困难，与硅工艺的兼容性偏弱。         面对这些劣势，θ-TaN 的金属属性，及其与现有芯片封装工艺天然亲和，让它有望成为比金刚石更优的选择。         首先，氮化钽薄膜本身就是集成电路制造中常用的扩散阻挡层材料，目前的铜互连工艺广泛使用氮化钽作为衬垫。θ-TaN 如果能以薄膜形式沉积，就能无缝衔接现有产线，无需引入额外工艺。         此外，它既能充当芯片背面的热扩散层，也可以作为热界面材料（TIM）的高导热填料，甚至有可能在高功率射频器件和电力电子模块中，成为兼具导电与导热功能的一体化互连层，光这一点，就是绝缘的金刚石做不到的。

p |          不过，团队也指出，受限于产能和制备难度，θ-TaN 短期内不太可能替代铜、铝等块状散热器材料，更现实的应用形态是被置于芯片和散热器之间，充当高导热中间层，功能类似上文提到的 CVD 金刚石薄膜。而且，TaN 的 θ 相在常温常压下是亚稳相，未来要进入产业，还需评估其长期热稳定性。         造出 θ-TaN 之后，这项研究更重要的意义或许在于，团队进一步释放了金属材料的导热潜力。

q | 论文显示，除了 θ-TaN 之外，氮化钨、磷化钼等过渡金属化合物的电子-声子耦合也偏低。这为行业和学界提了个醒，或许可以对这些物质进行系统性地合成和测量，筛出更多具备高导热性质的金属材料。         参考内容：          https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.aeb1142          运营/排版：何晨龙               注：封面/首图由 AI 辅助生成。

Current article:http://eko.longdachemakuanshan.pics/news/20260826_85654.html

Published on:19:05:46